南疆地區棉花基肥深施機的研究

李建軍 侯寶華 何義川

(塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

新疆棉花總產量已連續20多年位居全國第一位，占全國棉花種植面積的80%。南疆地區棉花平均畝產在500kg左右。種植過程中施肥管理是增產的重要方式之一，施肥已成為農業生產中不可或缺的一部分。中國現已成為世界上農業大國之一，目前農民追求增產的盲目性和過度性的行為，以及不科學不合理的施肥方法導致化肥使用效率低下，肥料浪費和土壤污染等[1-2]。

目前南疆地區棉花的機械化施肥主要有苗期追肥、播種施種肥和秋季撒施基肥3種方式[3]。南疆地區棉花種植普遍使用地膜覆蓋，因此苗期追肥不利于中耕作業；在播種過程中進行施肥作業，容易燒苗，且只能適于棉花生長初期；秋季通過犁撒施基肥，肥料堆積現象嚴重，不均勻，不科學、不合理的施肥方式急需解決[4]。

我國學者對機械化合理施肥開展了大量的研究[5-7]。劉進寶等人為了滿足施肥與增效的要求，提出一種多層施肥機構，并對機構的重要部分進行受力分析[8]，設計了一種棉花基肥對行分層深施機，為南疆地區棉花種植過程中科學合理地施肥提供依據。

1 基肥深施機結構設計

1.1 總體結構

基肥深施機主要由開溝鏟、分層施肥器和覆土機構組成。分層施肥器設置在施肥箱的上方；施肥箱的外槽輪排肥盒與開溝分層施肥器相連接；開溝施肥器的開溝鏟與機架相連接，其正后方設置覆土裝置。其中實際作業行距可以調節，開溝施肥器和覆土裝置的作業幅寬方向設置6組。

1.2 工作原理

棉花在南疆地區以秋施春播的分層交錯模式種植，保證肥料的效能和使用量，秋季分別對10～13cm和18～20cm土壤層施肥，通過冬季保墑，肥料完全融化在窄行土壤中；春季采用3s技術在肥行上播下種子，實現對行作業，其誤差在2cm左右。

2 重要機構設計及受力分析

2.1 開溝分層施肥器的研究

2.1.1 開溝分層施肥器機構設計

開溝鏟部件和分層施肥器是該機構的重要組成部件，實現對土壤的開溝和分層施肥作業。其中開溝鏟的鏟尖為槽型深松鏟，鏟柄為輕型柄；分層器由送肥管、調節擋板和排肥口組成。肥料顆粒通過排肥管分別從淺層和深層排肥口滑出，同時調節橫向調節板與豎向調節板的長度，控制淺層排肥口處通道的尺寸大小。排肥管下口設置為扁狀，減小碰撞作用。

2.1.2 開溝鏟受力分析

依據耕作土壤動力學模型[9-10]，分別對開溝鏟的傾斜鏟尖和圓弧鏟柄受力進行分析。

(1)鏟尖受力分析

圖1 鏟尖受力分析圖

傾斜鏟尖受力部分如圖1a所示，根據圖中的受力分析得出傾斜鏟尖在水平方向的平衡方程：

F2=N0sinδ+μ1N0cosδ+Fb

(1)

式中，Fz是牽引力；N0是鏟尖斜面所受法向載荷；Fb是土壤對鏟尖的切削阻力；μ1是土壤與鏟尖表面的摩擦系數；δ是鏟尖入土角。

鏟尖相對于土壤的切削阻力忽略不計，則土塊在鏟尖上水平和垂直方向的受力情況如圖1b所示，

N0(sinδ+μ1cosδ)-N1(sinδ1+μcosδ1)-(FcSa+Fg)cosδ1=0

(2)

G-N0(cosδ-μ1sinδ)-N1(cosδ1-μ1cosδ1)+(FcSa+Fg))sinδ1=0

(3)

式中G是土壤重力；N1是失效面法向載荷；Fg是土壤加速力；Fc是土壤內聚力；Sa是前剪切失效面面積；μ是土壤內摩擦系數；δ1是前失效面的傾角。

開溝過程中土壤阻力與牽引力為一對平衡力，由公式(1)、(2)、(3)解得：

(4)

為簡化上式，令：

(5)

則公式4可表示為：

(6)

其中土壤加速力

(7)

m是被加速的土壤質量；v是被加速土壤的速度；tg是加速時間。

因此，當前進速度一定時，牽引阻力大小主要由鏟尖處對應的土壤體積決定，可知牽引阻力由根本鏟尖長度和入土角決定。

(2)鏟柄受力分析

依據西涅阿可夫關于切削部件作用于土壤后受力狀態的力學模型理論[11]，土壤耕深小于20cm時，為純切削受力狀態，如圖2所示。根據鏟柄在前進方向的平衡狀態可得：

圖2 鏟柄受力分析圖

(8)

式中Fb1是鏟柄上的阻力；Nb1是楔刃法向力；Nb2是側刃法向力；μ2是滑動摩擦系數；δ2是鏟柄楔角。

其中：Nb1=k1A1

(9)

Nb2=k2A2

(10)

式中k1是土壤變形比阻；k2是土壤的比壓；A1是鏟柄楔刃面積；A2是鏟柄側刃面積。

(11)

為了減小開溝阻力，鏟柄圓弧段入土深度為19cm；鏟尖長度為12cm，入土深度為25cm。

(12)

(13)

由公式(11)、(12)、(13)可得，土壤特性和入土深度一定時，鏟柄阻力大小主要由入土角、鏟柄楔角、鏟柄厚度和寬度以及鏟柄圓弧半徑和對應的圓心角等因素決定。

2.1.3 土壤擾動分析

開溝作業過程，土壤受到開溝鏟的擾動作用呈溝渠狀，如圖3所示。當開溝鏟結構尺寸確定后，土壤擾動產生的溝型尺寸與作業速度有密切關系。

圖3 土壤擾動溝型圖

在阿拉爾市棉花種植區研究土壤開溝過程的流動性和回落覆蓋過程，開溝速度設定為6km/h，隨機測量5次，求得測試平均值，初步測得開溝后土壤表層的尺寸分布，間接測量回土深度，依據耕深與未回土區域的深度差計算的尺寸如表1所示。試驗數據表明，開溝鏟對土壤的擾動和回流現象影響比較明顯，需要進行覆土填埋作業。

表1 土壤溝型尺寸

2.1.4 肥料顆粒運動分析

肥料顆粒通過送肥管到達施肥器中，并在其中受到顆粒間的碰撞力和分層施肥器對肥料顆粒的作用力，如圖4所示。

圖4 肥料顆粒受力情況

根據肥料顆粒在底板受力情況可得：

(14)

式中m是施肥質量；v1是肥顆粒下滑速度；α1是底板傾角；μk是肥顆粒與底板摩擦系數，Fk是底板對肥顆粒的支撐力。

由動能定理可知，肥顆粒所合外力為：

Fctc=mv′-mv1

(15)

式中v′是碰撞后的速度；Fc是肥顆粒所受合外力；tc是碰撞時間。

由動能定理可知，分析肥顆粒在排肥管和施肥器中的支撐力。

(16)

(17)

式中v2是淺層管排肥速度；v3是深層管排肥速度；Fk1是管壁對顆粒的支撐力；α2是淺層排肥口滑道傾角。

2.2 覆土裝置設計

覆土裝置安裝在開溝分層施肥器后方設置，由刮土板、連接臂、安裝座和仿形彈簧組成。左右覆土板呈八字狀，左右覆土板間距與夾角可進行調節。根據圖7所示的開溝鏟土壤擾動情況，覆土作業應滿足以下條件：

S1>B1

(18)

S2

(19)

式中S1是刮土板前開度；S2是刮土板后開度；S4是刮土板長度；(s1是刮土板與水平的夾角；

利用笛卡爾坐標系分析刮土板對土壤的推力F與作業速度的關系。

(21)

(22)

(23)

式中vx是土壤橫向速度；vy是土壤前進方向速度；vz是土壤豎直方向速度；mt是土壤質量；Fn是刮土板對土壤的推力；Fn1是地表對土壤的支撐力；t為時間；αs是刮土板對地傾角；αs1是刮土板與前進方向夾角；μ是土壤內摩擦系數；μ3是土壤與刮土板間摩擦系數。

3 田間試驗分析

2020年11月在阿拉爾市12團棉花種植基地進行試驗，選用安裝有北斗導航拖拉機自動駕駛系統的雷沃754輪式拖拉機在秋季犁耕并初步平整的棉花地進行試驗。設定施肥量為20kg/畝，作業速度為6km/h，深層施肥比例為60%，隨機選取10個測量點。試驗結果見表2。

表2 田間試驗數據

試驗結果表明：1)每畝棉花用肥量均是21.4kg，變異系數是4%，每畝用肥量穩定；2)深層開溝施肥深度均是19.8cm，說明深度施肥較穩定；3)刮土板相對地面的傾角75°；刮土板與前進方向的夾角23°，肥料覆蓋率達100%。4)淺層開溝施肥深度均是12.5cm，但測試點中有一組深度為19cm，說明分層穩定差。

4 結語

(1)為了滿足南疆地區棉花基肥深施的特點，設計一種對行分層深施機，分別對基肥深施機的重要機構、開溝鏟受力情況、覆土裝置結構行了分析。

(2)田間試驗，南疆地區棉花用肥量21.4kg/畝左右，變異系數為4.0%，畝用肥量穩定；開溝深層施肥深度是19.8cm左右，而淺層肥料深度是12.4cm左右，但穩定性偏低，與土壤環境和機具作業速度相關，為研究基肥深施機奠定基礎。